عالية الدقة الهيكلي التصوير بالرنين المغناطيسي من تحت القشرة الإنسان في فيفو وتشريح الجثث

Summary

نقدم هنا بروتوكولا لتحديد الحد الأدنى لعدد الصور التي يجب تسجيلها وحسابها لحل الهياكل تحت القشرية واختبار ما إذا كان يمكن حل الطبقات الفردية من LGN في حالة عدم وجود ضوضاء فسيولوجية.

Abstract

وكان محور هذه الدراسة إلى اختبار حدود قرار من التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي للدماغ بعد الوفاة مقارنة مع الذين يعيشون العقول البشرية. حل MRI الهيكلي في الجسم الحي يقتصر في نهاية المطاف من الضوضاء الفسيولوجية، بما في ذلك نبض، والتنفس وحركة الرأس. على الرغم من أن أجهزة التصوير في تحسن مستمر، فإنه لا يزال من الصعب حل الهياكل على مقياس ملليمتر. على سبيل المثال، الأساسي البصرية المسارات الحسية المشبك في النواة الركبية الجانبية (LGN)، التتابع البصري والسيطرة نواة في المهاد التي عادة يتم تنظيمها في ستة طبقات أحادي معشق. لم تكن دراسات التصوير العصبي قادرا على التمييز بشكل موثوق هذه الطبقات وذلك بسبب صغر حجمها التي هي أقل من 1 مم.

تم اختبار الحد لحل التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي، في الدماغ بعد الوفاة باستخدام صور متعددة بلغ متوسط ​​على مدة طويلة (~ 24 ساعة). وكان الغرض من اختبار ما إذا كان من الممكن حل ل الفرديايرز من LGN في غياب الضوضاء الفسيولوجية. تم استخدام كثافة البروتون (PD) ¹ تسلسل النبض الموزون مع اختلاف القرار وغيرها من المعالم لتحديد الحد الأدنى لعدد الصور اللازمة أن تكون مسجلة وبلغ متوسط ​​للتمييز موثوق LGN والمناطق تحت القشرية الأخرى. النتائج أيضا تم مقارنة الصور المكتسبة في العيش العقول البشرية. تم مسحها ضوئيا في الجسم الحي موضوعات من أجل تحديد آثار إضافية من الضوضاء الفسيولوجية على الحد الأدنى لعدد بمسح PD اللازمة لتمييز هياكل تحت القشرية، مفيدة في التطبيقات السريرية.

Introduction

وكان الغرض من هذا البحث لاختبار حدود قرار من التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي في غياب الضوضاء الفسيولوجية. تم الحصول على كثافة البروتون (PD) صور المرجحة في الدماغ بعد الوفاة خلال مدة طويلة (اثنان ~ 24 جلسات ساعة) لتحديد الحد الأدنى لعدد الصور التي تحتاج إلى أن تكون مسجلة وبلغ متوسط ​​لحل هياكل تحت القشرية. وعلى سبيل المقارنة، تم الحصول عليها PD صور المرجح أيضا في البشر الذين يعيشون على مدى عدد من الدورات. على وجه الخصوص، كان الهدف هو التأكد مما إذا كان من الممكن في أفضل سيناريو للحل جميع طبقات الفردية ستة من LGN البشري، والتي هي حوالي 1 مم (الشكل 1).

الشكل 1. طبقات الجانبي الإنسان الركبي نواة. تخطيطي للهيكل الصفحي من LGN. كبير الخلايا وتتكون (M) طبقات من الخلايا العصبية بشكل اكبرحجم الخلية وكثافة الخلايا الصغيرة التي هي المسؤولة عن حل الحركة وبطبيعة الحال الخطوط العريضة (طبقات 1-2، يصور الرمادي الداكن عليه السلام). وتتكون طبقات صغير الخلايا (P) من أصغر حجم الخلية العصبية وكثافة الخلايا الكبيرة التي هي المسؤولة عن حل غرامة شكل ولون (طبقات 4-6، كما هو مبين رمادي فاتح). شريط النطاق 1 مم. الرقم على أساس الملون LGN البشري ^12.

تم تحسين القرار المكانية في التصوير بالرنين المغناطيسي عندما يتم زيادة حجم المصفوفة، وعندما انخفضت المجال للرأي (فوف) وسمك شريحة. ومع ذلك، قرار زيادة يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، الذي يتناسب مع حجم فوكسل. SNR هو أيضا متناسبة مع الجذر التربيعي لعدد من القياسات. في البشر الذين يعيشون، على الرغم من صور متعددة يمكن الحصول على عدد من جلسات التصوير منفصلة، ​​والقرار النهائي محدودة بسبب الضوضاء الفسيولوجية، مثل التنفس، نبضات الدورة الدموية وحركة الرأس.

عالي، القرار (0.35 ملم في الطائرة voxels) PD تم الحصول عليها بالاشعة مرجح. مسح PD تعزيز النقيض من الرمادي والأبيض في المهاد ^1، ويؤدي في الصور التي تقلل T _{1 و T} 2 الآثار. صورتها تعتمد على كثافة البروتونات في شكل الماء والجزيئات مثل البروتينات والدهون في حجم التصوير. الأعداد المتزايدة من البروتونات في النتائج الأنسجة في إشارة إشراقا على الصورة بسبب العنصر الطولي أعلى من مغنطة ^2.

تم جمع المسح المرجحة PD نظرا لأنها توفر على النقيض أعلى من الهياكل تحت القشرية مع الأنسجة المحيطة. تناقضات أخرى، مثل T1- والصور المرجحة T2 تؤدي إلى صعوبة في تحديد الهياكل تحت القشرية مثل LGN بسبب نسب أصغر النقيض إلى الضوضاء، كما هو محدد ƒ ^1،3.

وبالمثل، وجدت دراسات سابقة أن الصور المرجحة PD من الفورمالين ثابتة أدمغة بعد الوفاة resulteد في الخلافات تباين أعلى بين المادة الرمادية والمادة البيضاء بالمقارنة مع T1- والصور المرجحة T2 الذي كان مماثلة شدة صورة المادة الرمادية والمادة البيضاء ^3،4. يمكن المحددات الفيزيائية الحيوية الكامنة شرح هذه الاختلافات. T1 (الطولي) وT2 (عرضية) مرات استرخاء البروتونات الهيدروجين تعتمد على كيفية تحرك المياه داخل الأنسجة. مثبتات مثل العمل الفورمالين من البروتينات عبر ربط. يتم تخفيض الفروق بين التنقل المياه بين أنواع الأنسجة المختلفة عند استخدام مثبتات. وقد لوحظ انخفاض T1 الأنسجة التباين بعد التثبيت، في حين أن الاختلاف في الكثافة النسبية من البروتونات داخل أنسجة الدماغ زيادة مع تثبيت، وتوفير أفضل التمايز النقيض ^{3، 4.}

وقد حددت الدراسات السابقة LGN في المسح المرجحة PD باستخدام 1.5 T ^5،6،7، وفي 3 T الماسح الضوئي ^8،9. فمن الأهمية بمكان للحصول على هذه بالاشعة لتكون قادرة على الخطوط العريضة على وجه التحديد مدىوLGN. للحفاظ على التغطية الكاملة لنواة تحت القشرية، تم الحصول على 18 شرائح المرجحة PD داخل المهاد. أعيد عينات-كل وحدة تخزين لمرتين مصفوفة القرار 1024، و(0.15 ملم في الطائرة الحجم فوكسل)، متسلسلة، حركة تصحيح ومتوسط ​​لإنتاج صورة عالية الدقة 3D هياكل تحت القشرية. كان العدد الأمثل من الصور PD اللازمة لصفة شريحة التالية 5، وتقليل الوقت المسح إلى أقل من 15 دقيقة في البشر الحية. كان المطلوب فقط 1 صورة PD لترسيم بوضوح المناطق تحت القشرية في الدماغ بعد الوفاة، وتقليل الوقت المسح إلى أقل من 3 دقائق (الشكل 2 و 3).

تم مسحها ضوئيا A-الثابتة الفورمالين كاملة بعد الوفاة عينة الدماغ من امرأة توفيت بسكتة قلبية رئوية في سن 82 عاما. مراجعة السجلات الطبية كشفت أن لديها: مرض الانسداد الرئوي المزمن، والجراحة الصدرية، تجاوز الثلاثي 8 سنوات قبل وفاته، وسرطان الرحم تعامل مع استئصال الرحم7 سنوات قبل وفاته، والدهون، والزرق، وجراحة الساد. تم العينة الدماغ بعد الوفاة الغمر ثابتة في 10٪ من الفورمالين محايدة مخزنة لمدة 3 أسابيع على الأقل في 4 درجات ج. تشريح الدماغ ومسحها ضوئيا مع بروتوكول التصوير نفسه وكذلك مع غيرها من المعالم على مدار عدة ساعات لإجراء مقارنات جودة الصورة . ويمكن وصفها إلا المعلمات الأمثل للبروتوكول.

Protocol

1. مشارك وتشريح الجثث الدماغ تعيين الهاتفي

ملاحظة: تم الحصول على جميع الصور باستخدام 3 T MRI الماسح الضوئي مع رئيس 32 قناة لفائف وجميع مسح MRI أجريت في RT، ما يقرب من 20 درجة مئوية. وكان جميع المشاركين الحق وسلم وأعطى موافقة خطية مستنيرة. كان كل مشارك في صحة جيدة وليس لهم تاريخ من الاضطرابات العصبية. وتمت الموافقة على بروتوكول تجريبي ويتبع المبادئ التوجيهية المشاركين جامعة يورك الإنسان جنة المراجعة.

1. اطلب من كل مشارك ملء وتوقيع استمارة موافقة المريض أن تفاصيل إرشادات السلامة التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير بروتوكول العصبية.
2. لكل مشارك، وضع سدادات في كل أذن وتأمين رؤوسهم مع منصات لتقليل حركة الرأس.
3. لبعد الوفاة تصوير الدماغ، تأكد من إصلاح الدماغ قبل تصوير الأعصاب ويرد داخل حقيبة أو الحاوية التي تناسبها داخل MRI رئيس لفائف. وضع الدماغ بعد الوفاة في الرأس لفائف مع ض محورها (متفوقة على أنفerior) تتماشى مع تحمل من الماسح الضوئي. جذع الدماغ (الخلفي) يجب ان يواجه نحو سفح السرير الماسح الضوئي.
4. ضع يديك وسادة فراغ حول الدماغ بعد الوفاة حصول على دعم إضافي.

2. إضفاء الطابع المحلي وتنص على تحت القشرة

ملاحظة: المهاد هو بنية الفصوص مزدوج يقع بالقرب من وسط الدماغ الواقعة بين الدماغ المتوسط ​​والقشرة المخية. تقع داخل المهاد الظهري للLGN البشري، هو هيكل تحت القشرية الصغيرة التي تمتد كحد أقصى ~ 10 ملم.

1. تسجيل مشترك جديد، فتح برامج التصوير بالرنين المغناطيسي وانقر فوق علامة التبويب المريض في أعلى الزاوية اليسرى. ثم انقر على التسجيل.
2. ملء معلومات المريض المناسبة، ومن ثم انقر فوق علامة التبويب الامتحان.
3. للحصول على فحص كالايزر، انقر فوق علامة التبويب امتحان Explorer لإنشاء بروتوكول جديد. مراقبة نافذة انشاء على الشاشة، انقر فوق علامة التبويب الروتينية، وإدخال المعلمات التالية: اكتسابالوقت 28 ثانية، واقتناء مصفوفة 160 × 160، 1 شريحة، 1.6 مم الخواص حجم فوكسل، FOV = 260 مم، المرحلة فوف = 100٪، القرار شريحة = 69٪، وشريحة المرحلة مرحلة جزئية فورييه = 6/8، TR = 3.15 مللي، TE = 1.37 ميللي ثانية، فليب زاوية = 8 درجة.
4. تراكب مربع التحديد شريحة تستخدم للحصول على الصور PD على كالايزر تغطي نواة تحت القشرية داخل المهاد، فضلا عن الهياكل المحيطة بها (الشكل 4).

3. عالية الدقة معلمات الهيكلي

1. إنشاء بروتوكول جديد للحصول على عالية الدقة المرجحة PD بالاشعة. في إطار الإعداد على الشاشة، انقر فوق علامة التبويب الروتينية، وإدخال المعلمات التالية في اتجاه الاكليلية: اكتساب الوقت 179 ثانية، واقتناء مصفوفة 512 × 512، 0.3 × 0.3 × 1 مم ³ حجم فوكسل، TR = 3.25 ثانية ، TE = 32 ميللي ثانية، وزاوية الوجه = 120 درجة، واقتناء شريحة معشق، وقراءة فوف = 160 ملم، فوف المرحلة = 100٪، والتصوير الموازي (GRAPPA) مععامل التسارع من 2.
   1. استخدام تسلسل صدى توربو سبين، مع طول صدى قطار 5. صدى الأولى في 32 ميللي ثانية هو صدى فعال لهذا التسلسل. الحد من عرض النطاق الترددي (BW) إلى الحد الأدنى الممكن، 40 هرتز / بكسل، لتعظيم SNR. للحد من مدة المسح، واختيار 18 شرائح، كل 1 مم، مع FOV = 160 ملم. يوفر هذا بلاطة تغطية كافية من المناطق تحت القشرية من الفائدة.
      ملاحظة: لتحديد موثوق للهياكل تحت القشرية، والحصول على 5 أشواط مع المعلمات أعلاه. مجموع مدة المسح هو فقط ~ 15 دقيقة (الشكل 5). لم تستخدم الدهون التشبع.
2. في مرحلة ما بعد الوفاة تصوير الدماغ، وتحديد موثوق للهياكل تحت القشرية ويمكن ملاحظة في فحص واحد فقط مع المدة الإجمالية فقط ~ 3 دقائق بعد نفس البروتوكول المسح كما في 3.1 (الشكل 6).

تحليل 4. صورة

ملاحظة: لتحليل البيانات MRI، استخدم في FMRIB متاح مجانامكتبة البرامج (FSL) حزمة المتاحة للتحميل في (https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/).

1. فتح نافذة الصالة، وتحويل ملفات DICOM الخام من الماسح الضوئي لكل وحدة تخزين PD إلى تنسيق NIfTI مع DICOM لتحويل NIfTI. وهناك عدد من التي هي متاحة بحرية للتحميل (على سبيل المثال، https://www.nitrc.org/projects/mricron). في سطر الأوامر، اكتب dcm2nii تليها الدليل كل PD صورة المرجح المدى.
2. في إطار المحطة الطرفية الحصول على المعلمات الفحص PD الأصلي. اكتب fslinfo في سطر الأوامر تليها الفحص PD في شكل NIfTI.
3. خلق صورة فارغة حجم الهدف ذات الدقة العالية التي لديها ضعف القرار ونصف حجم فوكسل التي قدمتها المعلمات من fslinfo من الفحص PD الأصلي. ترتيب المدخلات البيانات لهذا الأمر على النحو التالي:
   fslcreatehd <ضحجم> <نوع البيانات>
   ملاحظة: على سبيل المثال، إذا كان المسح PD الأصلي مع المعلمات التالية كما هو موضح في 3.1 يتم جمع (أي 512 × 512 مصفوفة، 18 شريحة، 0.3 × 0.3 × 1 مم ³ حجم فوكسل، TR = 3.25 ق)، اكتب ما يلي في إطار الأوامر:
   fslcreatehd 1024 1024 36 1 0.15 0.15 0.5 3.25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz
4. تعريف التحول باستخدام مصفوفة الهوية. اكتب في أي برنامج محرر النصوص ملف نصي حفظ باسم 'identity.mat' التي تبدو مثل هذا:
   0 0 0
   1 0 0
   0 1 0
   0 0 1
5. استخدم الأمر اللعوب لتطبيق التحول، upsampling كل تشغيل المرجح PD الأصلي لمضاعفة قرار الكلي من 512 إلى 1024 المصفوفة، وخفض حجم فوكسل في كل البعد مما أدى إلى قرار من 0.15 × 0.15× 0.5 مم ^3. في إطار المحطة الطرفية لكل وحدة تخزين PD، اكتب الأمر التالي اللعوب تغيير الأسماء الأصلية والانتاج في المدى:
   مغازلة -interp سينك -في originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat -out highresPD.nii.gz
   ملاحظة: أين originalPD.nii.gz هو حجم المصدر، هو blankhr.nii.gz القرار الناتج المرغوب فيه، وhighresPD.nii.gz هو اسم حجم الانتاج.
6. نقل كافة الصور عالية الدقة إلى مجلد جديد، وانتقل إليها في إطار المحطة الطرفية.
7. لكل مشارك، سلسلة جميع الصور PD upsampled في ملف 4D واحد باستخدام fslmerge. في نوع إطار المحطة الطرفية:
   fslmerge -t concat_highresPD * .nii.gz
   ملاحظة: هذا بإنشاء ملف يسمى 4D concat_highresPD.nii.gz.
8. حركة تصحيح ملف متسلسلة باستخدام mcflirt ^10. هذه الأداة تسمح للتسجيل القوي الآلي لالخطي (أفيني) صور الدماغ المشترك والمتعدد الوسائط. حددتصحيح 4-المرحلة، التي تستخدم الاستيفاء سينك (داخليا)، وتمريرة الأمثل المزيد لمزيد من الدقة. في نوع إطار المحطة الطرفية:
   mcflirt -في concat_highresPD -out mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots
   ملاحظة: هذا بإنشاء ملف يسمى 4D mcf_concat_highresPD.nii.gz.
9. وأخيرا، إنشاء 3D يعني الصورة باستخدام fslmaths. في نوع إطار المحطة الطرفية:
   fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz
   ملاحظة: هذا بإنشاء ملف يسمى 3D mean_highresPD.nii.gz هذا هو ذات جودة عالية
10. تصور النتيجة النهائية 3D صورة عالية الدقة باستخدام الأمر fslview. في الدليل من حيث صورتك، اكتب ما يلي في نافذة الصالة:
    fslview mean_highresPD.nii.gz ".
11. تفقد التشكيلات شدة رويس في السؤال. إنشاء ROI باستخدام fslview (هذا يمكن أن يكون خط عمودي استخلاصها عبر منطقة LGN على سبيل المثال). في fslview تحميل صورة PD عالية الدقة. انقر فوق علامة التبويب أدوات،ثم انقر فوق علامة التبويب صورة واحدة لتكبير الصورة لرسم رويس. ثم انقر فوق علامة التبويب ملف تليها علامة التبويب إنشاء قناع. رسم خط في العائد على الاستثمار من الفائدة. حفظ ROI بالنقر فوق ملف، ثم حفظ باسم. تكرار أقنعة خط لمناطق متعددة داخل ROI للمقارنات كثافة ورويس الأخرى المعنية.
12. استخدام الأمر 3dmaskdump AFNI على تحليل كثافة الناتجة من الصورة. في الدليل من حيث الصور هي، استخدم الأمر التالي في إطار المحطة الطرفية لاستخراج شدة صورة والمكان (على النحو result_mask.txt) من قناع ROI الخاص بك:
    3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz

Results

مرة واحدة يشرع في تحت القشرة داخل المهاد، يتم جمع PD الصور المرجحة داخل مربع التحديد شريحة (الشكل 4). وSNR تحسينها من خلال زيادة عدد المتوسطات في كل من تشريح الجثة واجراء الفحوصات المجراة. لتحديد جودة الصورة، ومقارنة SNR من المتوسطات مسح مختلفة من خلال تقسيم إشارة من منطقة في الدماغ تعني الانحراف المعياري في بعض المناطق خارج الدماغ. تم احتساب SNR كما SNR = 0.655 * ميكرون _{الأنسجة} / σ _الهواء ^11، حي...

Discussion

توضح هذه الدراسة بروتوكول الأمثل في اقتناء وتقنية التحليل من أجل الحصول على دقة عالية-PD الصور المرجح لمناطق تحت القشرية. تم اختبار عدد من المعلمات المسح الضوئي وتعديلها مع تلك الأكثر أهمية المتعلقة حجم المصفوفة، وحجم فوكسل، وعرض النطاق الترددي لزيادة SNR وخفض عدد من عمليات الاستحواذ، خطوة حاسمة في أن تكون قادرة على تحديد عالية الدقة هياكل تحت القشرية. بالتزامن مع العثور على أفضل المعايير ضمن البشر الذين يعيشون، اختبر هذا البحث قيود مطلقة من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي في ظل ظ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetom Trio 3T  التصوير بالرنين المغناطيسي	سيمنز (إرلانغن ، ألمانيا).
يد وسادة فراغ	سيمنز	حصيرة رقم: 4765454	المصنعة بواسطة: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg